Recikliranje elektrod – visoka učinkovitost z ultrazvočno delaminacijo

Ultrazvočna delaminacija elektrod omogoča pridobivanje aktivnih materialov, kot so litij, nikelj, mangan, kobalt itd., v nekaj sekundah. Tako ultrazvočna delaminacija elektrod omogoča hitrejše, okolju prijazno in bistveno manj energijsko potratno pridobivanje materialov iz baterij, ki jih je mogoče ponovno uporabiti. Raziskave so že dokazale, da je ultrazvočna delaminacija lahko 100-krat hitrejša od običajnih tehnik recikliranja.

Ultrazvok visoke moči izboljšuje pridobivanje aktivnih materialov iz elektrod

Ultrazvočno podprta delaminacija elektrod ponuja hiter, učinkovit in trajnosten pristop k pridobivanju aktivnih materialov in folije. Ti deli elektrode so dragoceni materiali, ki jih je mogoče ponovno uporabiti za izdelavo novih baterij. Ultrazvočna delaminacija ni le bistveno energijsko učinkovitejša od hidrometalurških in pirometalurških postopkov recikliranja, temveč omogoča tudi pridobivanje materialov višje čistosti.

Recikliranje baterij: ločevanje in delaminacija elektrod

Cilj recikliranja litij-ionskih baterij (LIB) je pridobivanje dragocenih materialov. Elektrode vsebujejo dragocene in redke materiale, kot so litij, nikelj, mangan, kobalt itd., ki jih je mogoče učinkovito pridobiti z neprekinjenim postopkom ultrazvočne delaminacije. Ultrazvočni procesorji, opremljeni s sondo (sonotrodo), lahko ustvarijo velike amplitude. Amplituda prenaša ultrazvočne valove v tekoči medij (npr. kopel s topilom), kjer zaradi izmenjujočih se visokotlačnih in nizkotlačnih ciklov nastanejo drobni vakuumski mehurčki. Ti vakuumski mehurčki rastejo skozi nekaj ciklov, dokler ne dosežejo velikosti, pri kateri ne morejo več absorbirati dodatne energije. Takrat mehurčki silovito implodirajo. Implozija mehurčkov lokalno ustvari okolje z zelo visoko energijsko gostoto, s tekočinskimi curki s hitrostjo do 280m/s, intenzivno turbulenco, zelo visokimi temperaturami (pribl. 5.000K), tlaki (pribl. 2.000atm) ter ustreznimi temperaturnimi in tlačnimi razlikami.
Ta pojav ultrazvočno povzročene implozije mehurčkov je znan kot akustična kavitacija. Učinki akustične kavitacije odstranijo kompozitni film aktivnega materiala s tokovnega zbiralnika iz folije, ki je na obeh straneh prevlečen s kompozitnim filmom. Aktivni material vsebuje predvsem mešanico prahu litijevega manganovega oksida (LMO) in litijevega nikljevega manganovega kobaltovega oksida (LiNiMnCoO2 ali NMC) ter saje kot prevodni dodatek.
Mehanizem ultrazvočne delaminacije temelji na fizikalnih silah, ki lahko prekinejo molekulske vezi. Zaradi intenzivnosti ultrazvoka visoke moči za odstranjevanje plasti aktivnega materiala s folije ali tokovnega zbiralnika pogosto zadostujejo blažja topila. Tako je ultrazvočna delaminacija elektrode hitrejša, okolju prijazna in bistveno manj energijsko potratna.

Posnetki z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM), ki prikazujejo morfološke spremembe aktivnega materiala elektrode ob ultrazvočni delaminaciji. Vsi posnetki so bili narejeni pri 5000x povečavi in vzbujevalni energiji 10 kV. a) katodni material pred delaminacijo, b) delaminirani aktivni material katode, c) anodni material pred delaminacijo in d) delaminirani anodni material.
(raziskava in slike: Lei et al., 2021)

Drobljenje baterij v primerjavi z ločevanjem elektrod

Za pridobivanje aktivnega materiala se uporabljajo vodna ali organska topila za raztapljanje kovinske folije, polimernega veziva in/ali aktivnega materiala. Zasnova in potek postopka bistveno vplivata na končni rezultat pridobivanja materialov. Tradicionalni postopek recikliranja baterij vključuje drobljenje baterijskih modulov. Vendar je zdrobljene sestavne dele težko ločiti na posamezne sestavine. Za pridobivanje aktivnega/dragocenega materiala iz zdrobljene mase je potrebna zahtevna obdelava. Za ponovno uporabo pridobljenih aktivnih materialov je potrebna določena stopnja čistosti. Pridobivanje materialov visoke čistosti iz zdrobljene baterijske mase vključuje zahtevne postopke in agresivna topila, zato je drago. Ultrazvočno izluževanje se uspešno uporablja za intenziviranje in izboljšanje rezultatov pridobivanja aktivnih materialov iz zdrobljenih litij-ionskih baterij.
Ločevanje elektrod se je kot alternativa tradicionalnemu drobljenju izkazalo za učinkovit postopek recikliranja baterij, ki lahko bistveno izboljša čistost pridobljenih materialov. Pri postopku ločevanja elektrod se baterija razstavi na glavne sestavne dele. Ker elektrode vsebujejo največji delež dragocenega materiala, se elektroda loči in kemično obdela, da se aktivni materiali (litij, nikelj, mangan, kobalt …) raztopijo s prevlečene folije ali tokovnega zbiralnika. Sonikacija je dobro znana po intenzivnih učinkih, ki jih povzroča akustična kavitacija. Sonomehanske sile povzročijo dovolj nihanja in striga za odstranitev aktivnih materialov, ki so naneseni v plasteh na folijo. (Struktura prevlečene folije je podobna sendviču: folija je v sredini, plast aktivnega materiala pa tvori zunanjo površino.)
Ločevanje elektrod bi bilo izvedljivejša možnost od drobljenja, če bi se uporabljalo v povezavi z avtonomnim razstavljanjem, kar bi omogočilo čistejše tokove odpadkov in večje ohranjanje vrednosti v oskrbi

Ultrazvočne sonotrode za delaminacijo elektrod

Posebne sonotrode, ki zagotavljajo amplitudo, potrebno za odstranjevanje aktivnih materialov z elektrodne folije, so zlahka na voljo. Ker se intenzivnost akustične kavitacije z večanjem razdalje med sonotrodo in elektrodo zmanjšuje, je ugodno, da je razdalja med sonotrodo in elektrodo ves čas enakomerna. To pomeni, da je treba elektrodno ploščo pomikati tik pod konico sonotrode, kjer so tlačni valovi močni in gostota kavitacije visoka. S posebnimi sonotrodami, ki so širše od standardne valjaste ultrazvočne sonde, Hielscher Ultrasonics ponuja učinkovito rešitev za enakomerno delaminacijo elektrodnih plošč iz električnih vozil. Elektrode, ki se uporabljajo v baterijah električnih vozil (EV) s celicami v vrečkastem ohišju, so na primer običajno široke pribl. 20 cm. Sonotroda enake širine enakomerno prenaša akustično kavitacijo po celotni površini elektrode. Tako se plasti aktivnega materiala v nekaj sekundah sprostijo v topilo, nato pa jih je mogoče izločiti in prečistiti v prah. Ta prah je mogoče ponovno uporabiti za proizvodnjo novih baterij.
Raziskovalna skupina britanske ustanove Faraday Institution poroča, da je odstranjevanje plasti aktivnega materiala z elektrode LIB mogoče končati v manj kot 10 s, če je elektroda nameščena neposredno pod sonotrodo visoke moči (1000 do 2000 W, npr. UIP1000hdT ali UIP2000hdT). Med ultrazvočno obdelavo se adhezijske vezi med aktivnimi materiali in tokovnimi zbiralniki prekinejo, tako da je v naslednjem koraku čiščenja mogoče pridobiti nepoškodovan tokovni zbiralnik in aktivni material v prahu.

Slike, ki prikazujejo učinek ultrazvoka na hrbtni strani: a) anodne plošče litij-ionske baterije in b) katodne plošče litij-ionske baterije. Anoda je bila delaminirana v raztopini 0,05 M citronske kisline; katoda je bila delaminirana v raztopini 0,1 M NaOH. Sonotroda je imela premer 20 mm, intenzivnost moči 120 W/cm2 pa je bila uporabljena 3 sekunde na razdalji 2,5 mm od sonotrode. Velikost vzorca je bila 3 cm x 3 cm.
(raziskava in slike: Lei et al., 2021)

Ultrazvočne naprave za delaminacijo elektrod

Hielscher Ultrasonics načrtuje, izdeluje in distribuira visokozmogljive ultrazvočne procesorje, ki delujejo v območju 20kHz. Industrijske ultrazvočne naprave podjetja Hielscher Ultrasonics so ultrazvočni procesorji visoke moči, ki lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude za zahtevne aplikacije. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Za neprekinjeni postopek delaminacije elektrod Hielscher ponuja nabor standardnih in prilagojenih sonotrod. Velikost sonotrode je mogoče prilagoditi velikosti in širini elektrodnega materiala ter tako doseči optimalne procesne pogoje za visoko zmogljivost obdelave in vrhunsko pridobivanje materialov.

Literatura / Viri

• Lei, Chunhong; Aldous, Iain; Hartley, Jennifer; Thompson, Dana; Scott, Sean; Hanson, Rowan; Anderson, Paul; Kendrick, Emma; Sommerville, Rob; Ryder, Karl; Abbott, Andrew (2021): Lithium ion battery recycling using high-intensity ultrasonication. Green Chemistry 23(13), 2021.
• Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
• Zhang, Zheming; He, Wenzhi; Li, Guangming; Xia, Jing; Hu, Huikang; Huang, Juwen (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. International Journal of Electrochemical Science 9, 2014. 3691-3700.